【基金標(biāo)書】2010CB328000-現(xiàn)代設(shè)計(jì)大型應(yīng)用軟件的可信性研究

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項(xiàng)目名稱： 現(xiàn)代設(shè)計(jì)大型應(yīng)用軟件的可信性研究首席科學(xué)家： 孫家廣 清華大學(xué)起止年限： 2010年 1月-2014 年 8月依托部門： 教育部一、研究內(nèi)容在現(xiàn)代制造業(yè)，隨著產(chǎn)品設(shè)計(jì)規(guī)模和設(shè)計(jì)難度的增加，設(shè)計(jì)系統(tǒng)和產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程的復(fù)雜性越來越高，個(gè)性化設(shè)計(jì)需求越來越強(qiáng)烈，設(shè)計(jì)活動(dòng)越來越突出地體現(xiàn)了知識(shí)密集性和通訊密集性的特點(diǎn)。本項(xiàng)目將圍繞三個(gè)科學(xué)問題，對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程和設(shè)計(jì)模型的可用性、安全性、可靠性和可驗(yàn)證性等可信性內(nèi)容進(jìn)行深入研究。主要研究內(nèi)容有以下幾個(gè)方面：? 產(chǎn)品模型數(shù)據(jù)表示和計(jì)算誤差可控性以及模型表示的一致性，以提高設(shè)計(jì)過程中數(shù)據(jù)表示可信性；? 設(shè)計(jì)系統(tǒng)程序代碼與規(guī)約說明的一致性驗(yàn)證，以提高設(shè)計(jì)系統(tǒng)程序代碼的正確性；? 產(chǎn)品設(shè)計(jì)流程的可信保障機(jī)制，以解決產(chǎn)品數(shù)據(jù)模型在全生命周期的一致性；? 基于 GPU 集群的數(shù)字模型仿真優(yōu)化計(jì)算，以保證產(chǎn)品交互設(shè)計(jì)的一致性和高效性；? 構(gòu)建產(chǎn)品設(shè)計(jì)與仿真優(yōu)化交互設(shè)計(jì)平臺(tái)，以增強(qiáng)產(chǎn)品功能和性能仿真優(yōu)化設(shè)計(jì)的實(shí)用性和可靠性。 2.1 產(chǎn)品數(shù)據(jù)模型表示的一致性及其誤差控制理論2.1.1 復(fù)雜產(chǎn)品數(shù)據(jù)模型的高精度表示及其誤差控制研究表示復(fù)雜產(chǎn)品的新型數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，研究產(chǎn)品數(shù)字模型中幾何操作的誤差精度控制方法，研究設(shè)計(jì)過程誤差精度統(tǒng)一表示（研究產(chǎn)品設(shè)計(jì)誤差以及各設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)的誤差關(guān)聯(lián)約束）和產(chǎn)品數(shù)據(jù)表示誤差和設(shè)計(jì)過程誤差的約束、傳播和擴(kuò)散機(jī)制，研究產(chǎn)品設(shè)計(jì)輕量化表示中的精度保持方法。1、幾何運(yùn)算中的誤差精度控制本項(xiàng)目將幾何運(yùn)算分解成為底層的單元幾何運(yùn)算和高層次的特征幾何運(yùn)算。研究從單元幾何運(yùn)算到高層次特征幾何運(yùn)算的誤差傳播機(jī)制，設(shè)法統(tǒng)一同一階段的不同單元幾何運(yùn)算的誤差精度控制方法，設(shè)法統(tǒng)一不同階段的單元幾何運(yùn)算的誤差精度控制方法。研究在產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程中統(tǒng)一的幾何運(yùn)算誤差精度控制理論和方法。2、設(shè)計(jì)過程誤差精度統(tǒng)一表示本項(xiàng)目將分析在產(chǎn)品設(shè)計(jì)周期中從產(chǎn)品概念設(shè)計(jì)、幾何設(shè)計(jì)到結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及其迭代分析過程中各種相關(guān)數(shù)據(jù)之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，對(duì)精度的要求，以及在實(shí)際操作過程中所能達(dá)到的誤差精度。同時(shí)將分析和總結(jié)在產(chǎn)品設(shè)計(jì)周期中所涉及到的誤差種類。在此基礎(chǔ)上，將形成產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程的誤差精度統(tǒng)一表示理論和方法，研究誤差動(dòng)態(tài)控制理論和技術(shù)，以適應(yīng)在產(chǎn)品設(shè)計(jì)周期中各個(gè)階段以及迭代過程的誤差不斷積累及動(dòng)態(tài)發(fā)生變化的情況。由此進(jìn)一步規(guī)范產(chǎn)品設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)手段，形成與其相適應(yīng)的理論和方法。本項(xiàng)目將研究產(chǎn)品設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)的輕量化表示方法及其精度保持的策略。還將研究有損精度和無損精度的多種數(shù)據(jù)壓縮理論和策略，進(jìn)一步控制幾何和非幾何數(shù)據(jù)的規(guī)模。將進(jìn)一步研究各多層次模型之間的精度度量理論和策略。2.1.2 面向產(chǎn)品設(shè)計(jì)全生命周期的數(shù)據(jù)模型和設(shè)計(jì)過程的一致性度量本項(xiàng)目將研究復(fù)雜產(chǎn)品設(shè)計(jì)手段可達(dá)性，研究產(chǎn)品數(shù)據(jù)模型的結(jié)構(gòu)特征的語義表示方法，研究產(chǎn)品迭代設(shè)計(jì)過程中數(shù)據(jù)模型修改中的結(jié)構(gòu)特征約束方法，研究產(chǎn)品結(jié)構(gòu)特征模型的可重用度量方法，研究產(chǎn)品全生命周期的設(shè)計(jì)迭代交互過程中的數(shù)據(jù)模型統(tǒng)一表示（研究異構(gòu)系統(tǒng)或者設(shè)計(jì)流程各設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)之間的數(shù)字模型數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換機(jī)制）和研究產(chǎn)品全設(shè)計(jì)流程的數(shù)據(jù)表示完整性。1、產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程的數(shù)據(jù)模型表示一致性產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程中，從 CAD 的部件設(shè)計(jì)到 CAE 有限元優(yōu)化設(shè)計(jì)，再回到CAD 數(shù)據(jù)模型設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)過程迭代反復(fù)修改，但是整個(gè)設(shè)計(jì)過程需要考慮產(chǎn)品設(shè)計(jì)手段是否能夠滿足設(shè)計(jì)全過程的要求，也就是需要考慮設(shè)計(jì)全過程的設(shè)計(jì)手段的可達(dá)性，同時(shí)也需要考慮產(chǎn)品模型的覆蓋域和產(chǎn)品表示的完備性，使得產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程方便快速，產(chǎn)品數(shù)據(jù)模型表示一致和完備。同時(shí)將考慮產(chǎn)品模型中的各種特征的提取方法和特征與產(chǎn)品模型之間的約束關(guān)系及其度量方法，在產(chǎn)品迭代修改過程中，產(chǎn)品模型中的結(jié)構(gòu)特征必須與數(shù)據(jù)模型保持相對(duì)應(yīng)的約束關(guān)系，產(chǎn)品特征在設(shè)計(jì)修改過程中具有特征的一貫性和連續(xù)性，同時(shí)還研究異構(gòu)系統(tǒng)中模型數(shù)據(jù)之間的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換機(jī)制，考慮模型特征的連貫性，產(chǎn)品特征的可重用性，以保證模型數(shù)據(jù)的一致性，為此將研究可重用特征的設(shè)計(jì)邏輯一致性和可重用的度量方法。2、基于設(shè)計(jì)時(shí)序關(guān)系和邏輯關(guān)系的設(shè)計(jì)迭代求精從時(shí)序性關(guān)系角度，產(chǎn)品設(shè)計(jì)流程與規(guī)范可以被描述為一系列時(shí)間節(jié)點(diǎn)所構(gòu)成的子任務(wù)行為及其迭代的集合。 “邏輯關(guān)系” 是設(shè)計(jì)流程與規(guī)范間的一種抽象，這種抽象的關(guān)系主要體現(xiàn)在設(shè)計(jì)主體對(duì)設(shè)計(jì)目標(biāo)及設(shè)計(jì)系統(tǒng)認(rèn)知的深度及抽象性上。邏輯關(guān)系在更深的層次上揭示了產(chǎn)品特征設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)流的相互作用和結(jié)構(gòu)關(guān)系的相互制約，包括設(shè)計(jì)目標(biāo)的表征、設(shè)計(jì)特征提取及語義化描述；設(shè)計(jì)過程中語義演化及物理造型屬性的迭代過程。建立符合人的預(yù)期的產(chǎn)品設(shè)計(jì)迭代求精機(jī)制，為基于領(lǐng)域知識(shí)的復(fù)雜產(chǎn)品設(shè)計(jì)迭代模型和領(lǐng)域任務(wù)的一致性和可度量性奠定基礎(chǔ)。2.2 支持產(chǎn)品全生命周期的交互設(shè)計(jì)系統(tǒng)的可驗(yàn)證理論2.2.1 產(chǎn)品設(shè)計(jì)系統(tǒng)的程序代碼可驗(yàn)證理論研究產(chǎn)品數(shù)據(jù)模型中幾何算法和幾何操作的程序自動(dòng)驗(yàn)證方法，研究產(chǎn)品設(shè)計(jì)系統(tǒng)構(gòu)件及其組裝的程序健壯性和可靠性。1、程序代碼與規(guī)約說明的一致性驗(yàn)證現(xiàn)代設(shè)計(jì)軟件中包含了大量的算法及其實(shí)現(xiàn)代碼。如何對(duì)算法進(jìn)行形式化規(guī)約說明，如何保證代碼的最終實(shí)現(xiàn)與算法的規(guī)約說明一致，是本項(xiàng)目要研究的重要內(nèi)容，為此，將研究基于類型論的命令式程序表示方法和算法的模塊化規(guī)范描述和證明等問題。2、基于模型檢測的程序驗(yàn)證技術(shù)在大型設(shè)計(jì)軟件的編碼過程中，除了由于代碼實(shí)現(xiàn)與規(guī)約說明不一致而造成的邏輯錯(cuò)誤之外，還存在大量由于編碼人員的熟練程度和編碼水平而產(chǎn)生的代碼缺陷。本項(xiàng)目擬研究將模型檢測應(yīng)用于現(xiàn)代設(shè)計(jì)軟件核心代碼的自動(dòng)驗(yàn)證，通過謂詞抽象等方法縮減狀態(tài)空間和映射無窮域，避免狀態(tài)空間爆炸。另一方面，考慮到現(xiàn)代設(shè)計(jì)軟件程序中涉及大量有關(guān)數(shù)組、向量、矩陣等的數(shù)值操作，我們也將研究針對(duì)這些特定數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的程序驗(yàn)證方法學(xué)。2.2.2.按需組裝的產(chǎn)品全設(shè)計(jì)流程的一致性驗(yàn)證產(chǎn)品設(shè)計(jì)的可信性包括產(chǎn)品全生命周期的可維護(hù)性和可靠性，產(chǎn)品全生命周期從需求分析、概念設(shè)計(jì)、概要設(shè)計(jì)和詳細(xì)設(shè)計(jì)，再到產(chǎn)品的具體設(shè)計(jì)過程的幾何設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)到 CAE 仿真模擬，再到產(chǎn)品制造銷售、產(chǎn)品使用維護(hù)乃至產(chǎn)品回收處理等全過程，因此產(chǎn)品可信性設(shè)計(jì)不僅需要考慮產(chǎn)品具體的產(chǎn)品設(shè)計(jì)流程及其迭代設(shè)計(jì)，而且還需要考慮產(chǎn)品全生命周期的全過程質(zhì)量控制和管理。本項(xiàng)目的主要研究內(nèi)容包括產(chǎn)品設(shè)計(jì)全流程質(zhì)量控制機(jī)制、產(chǎn)品數(shù)據(jù)模型表示全流程一致性等內(nèi)容，基于產(chǎn)品全流程的產(chǎn)品設(shè)計(jì)系統(tǒng)主要包括軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、構(gòu)件集成再到交互操作和產(chǎn)品統(tǒng)一數(shù)據(jù)表示模型、復(fù)雜產(chǎn)品交互設(shè)計(jì)系統(tǒng)的可用性和易用性度量等。同時(shí)將研究產(chǎn)品迭代設(shè)計(jì)過程中的需求一致性問題，解決設(shè)計(jì)系統(tǒng)過程中的功能需求的迷路問題，解決產(chǎn)品設(shè)計(jì)和驗(yàn)證的信息孤島問題，本項(xiàng)目將研究產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的數(shù)據(jù)安全問題等。研究產(chǎn)品設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)自保護(hù)安全信任模型,數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、處理、傳輸?shù)臋C(jī)密性和完整性等保護(hù)，研究產(chǎn)品設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)內(nèi)核級(jí)自保護(hù)技術(shù)，研究設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)安全訪問許可策略及多約束力的使用許可協(xié)議。2.3 產(chǎn)品功能和性能高效仿真優(yōu)化理論和方法2.3.1 產(chǎn)品功能設(shè)計(jì)的仿真計(jì)算方法研究基于產(chǎn)品 CAD 模型的仿真方法，研究產(chǎn)品幾何設(shè)計(jì)與功能設(shè)計(jì)迭代優(yōu)化仿真方法。研究基于線性插值單元理論的高精度仿真計(jì)算方法，建立自主開發(fā)而且具有較強(qiáng)工程應(yīng)用能力的仿真軟件。研究基于產(chǎn)品 CAD 模型的仿真計(jì)算理論與方法，研究基于 GPU 的計(jì)算方法，利用圖形卡的并行性能和高密集的運(yùn)算性能，來實(shí)現(xiàn)一般意義上的計(jì)算，針對(duì)大規(guī)模數(shù)值計(jì)算部分進(jìn)行 GPU 并行化。2.3.2 復(fù)雜產(chǎn)品結(jié)構(gòu)組合的高效仿真計(jì)算與優(yōu)化研究多領(lǐng)域多學(xué)科產(chǎn)品優(yōu)化計(jì)算及其并行仿真可視化方法，研究基于 GPU集群的復(fù)雜產(chǎn)品系統(tǒng)性能優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。通過建立高效的優(yōu)化設(shè)計(jì)模塊，建立自主研發(fā)的復(fù)雜產(chǎn)品設(shè)計(jì)優(yōu)化平臺(tái)。建立基于 GPU 構(gòu)架的并行優(yōu)化程序，解決復(fù)雜性中等的實(shí)際工程問題，研究基于 GPU 構(gòu)架的并行智能布點(diǎn)技術(shù)，研究混合近似模型技術(shù)，通過不同方法近似模型的組合，加強(qiáng)近似模型的魯棒性和精度。并行仿真模擬計(jì)算得到的大規(guī)模數(shù)據(jù)，通過有效的可視化顯示，可以更有效地對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)功能性能進(jìn)行分析驗(yàn)證，本項(xiàng)目將研究基于特征分析的高質(zhì)量大規(guī)模數(shù)據(jù)可視化算法，研究面向多核、分布式集群、GPU、GPU 集群以及網(wǎng)格環(huán)境的大規(guī)模仿真數(shù)據(jù)并行可視化算法。二、預(yù)期目標(biāo)3.1 總體目標(biāo)本項(xiàng)目旨在面向重大制造裝備和復(fù)雜產(chǎn)品設(shè)計(jì)等重要應(yīng)用領(lǐng)域展開CAD/CAE 大型應(yīng)用軟件的可信性研究，建立重大制造裝備和復(fù)雜產(chǎn)品模型的統(tǒng)一數(shù)據(jù)表示，保證幾何設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、模型分析和仿真驗(yàn)證等各環(huán)節(jié)迭代求精和分析在產(chǎn)品設(shè)計(jì)生命周期中的一致性，提供系統(tǒng)構(gòu)件之間的可驗(yàn)證機(jī)理，建立數(shù)據(jù)和模型的多級(jí)安全動(dòng)態(tài)保護(hù)理論和策略，給出應(yīng)用軟件的可信度分析方法，為提高我國汽車、重大制造裝備等復(fù)雜產(chǎn)品的國際競爭力，提供其自主創(chuàng)新的理論和技術(shù)支撐。本項(xiàng)目總體研究水平力求進(jìn)入國際先進(jìn)行列，力爭在以下三個(gè)方面取得創(chuàng)新突破：產(chǎn)品數(shù)字模型表示的誤差控制和一致性理論與技術(shù)；設(shè)計(jì)系統(tǒng)程序代碼的正確性驗(yàn)證理論與方法；產(chǎn)品功能和性能的仿真優(yōu)化設(shè)計(jì)理論與技術(shù)。以期在國產(chǎn)品牌汽車和重大裝備制造的創(chuàng)新設(shè)計(jì)與仿真優(yōu)化中得到成功應(yīng)用。項(xiàng)目擬完成 15-20 項(xiàng)有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的核心算法或軟件技術(shù)（包括技術(shù)專利和版權(quán)登記） 。本項(xiàng)目擬在國內(nèi)外核心刊物和國際會(huì)議上發(fā)表論文 30-50 篇/ 年，其中國際刊物與國際會(huì)議論文集的論文發(fā)表 12-18 篇/ 年；學(xué)術(shù)著作 3 部，技術(shù)報(bào)告平均 10 篇/年；博士論文平均 12 篇/年。力爭本項(xiàng)目 80％以上的研究成果、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范和專利等被轉(zhuǎn)化到國家 863 計(jì)劃或科技支撐計(jì)劃，為我國現(xiàn)代設(shè)計(jì)大型應(yīng)用軟件的研究開發(fā)與應(yīng)用提供高效可靠的技術(shù)支撐，在汽車和 IC 裝備復(fù)雜機(jī)械部件的設(shè)計(jì)與制造領(lǐng)域?qū)嶋H應(yīng)用，產(chǎn)生明顯的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。3.2 五年預(yù)期目標(biāo)上述目標(biāo)將分階段分步實(shí)施。根據(jù)目前的工作基礎(chǔ)、未來五年的研究目標(biāo)大致可分為以下三部分，具體敘述如下。3.2.1 產(chǎn)品設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)表示模型和設(shè)計(jì)系統(tǒng)的可信性度量理論將研究以下關(guān)鍵內(nèi)容并取得重要進(jìn)展：1、 復(fù)雜產(chǎn)品數(shù)據(jù)模型的高精度數(shù)據(jù)表示及其誤差控制；2、 面向產(chǎn)品設(shè)計(jì)全生命周期的產(chǎn)品數(shù)據(jù)和設(shè)計(jì)過程的一致性度量；3、 產(chǎn)品設(shè)計(jì)系統(tǒng)的程序代碼可驗(yàn)證理論；4、 按需組裝的產(chǎn)品全設(shè)計(jì)流程的一致性驗(yàn)證。3.2.2 產(chǎn)品數(shù)據(jù)模型的一致性驗(yàn)證及產(chǎn)品功能與性能的高效仿真模擬將研究以下關(guān)鍵內(nèi)容并取得重要進(jìn)展：1、 產(chǎn)品數(shù)據(jù)模型功能設(shè)計(jì)的仿真優(yōu)化；2、 復(fù)雜產(chǎn)品結(jié)構(gòu)組合的高效仿真計(jì)算。同時(shí)，將研究開發(fā)一個(gè)用戶設(shè)計(jì)復(fù)雜產(chǎn)品及其功能與性能仿真模擬的大型設(shè)計(jì)軟件平臺(tái)，集成上述各關(guān)鍵科學(xué)問題的研究成果，確保設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)處理的靈活性和可擴(kuò)展性；克服數(shù)據(jù)本身的異構(gòu)性和系統(tǒng)的異構(gòu)性引起的不協(xié)調(diào)性，即時(shí)審計(jì)入侵等不安全因素，使該核心平臺(tái)安全、可靠、實(shí)用。3.2.3 集成應(yīng)用檢驗(yàn)結(jié)合汽車和 IC 裝備等復(fù)雜機(jī)械部件在現(xiàn)代設(shè)計(jì)方面的實(shí)際需求，研究開發(fā)現(xiàn)代設(shè)計(jì)大型應(yīng)用軟件系統(tǒng)，并在實(shí)際應(yīng)用中取得經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。這部分工作實(shí)際上是對(duì)前兩部分研究成果的集成和實(shí)際應(yīng)用檢驗(yàn)。三、研究方案4.1 總體思路項(xiàng)目將圍繞總體研究目標(biāo)和主要研究內(nèi)容，結(jié)合以汽車設(shè)計(jì)為應(yīng)用背景組織實(shí)施研究技術(shù)方案，項(xiàng)目的總體研究思路和總體設(shè)計(jì)方案框架如圖 1 所示。圖 1. 現(xiàn)代設(shè)計(jì)大型應(yīng)用軟件系統(tǒng)可信核心平臺(tái)框架本項(xiàng)目在技術(shù)途徑方面擬考慮以下幾點(diǎn)：（1） 可信性基礎(chǔ)與系統(tǒng)仿真和驗(yàn)證平臺(tái)同步研究把握對(duì)現(xiàn)代設(shè)計(jì)大型應(yīng)用軟件有重要影響的可信性理論集中力量優(yōu)先突破，并持之以恒，毫不動(dòng)搖，本項(xiàng)目列出的三個(gè)關(guān)鍵科學(xué)問題均屬此列。在進(jìn)行共性基礎(chǔ)研究的同時(shí)，從頂層著手現(xiàn)代設(shè)計(jì)大型應(yīng)用軟件平臺(tái)與系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研發(fā)，因?yàn)檫@個(gè)平臺(tái)是單元設(shè)計(jì)行為和設(shè)計(jì)過程可信性研究的集成試驗(yàn)床，不盡早拿出這個(gè)平臺(tái)，各關(guān)鍵技術(shù)的測試與試運(yùn)行就難以進(jìn)行。相反，可信性理論與驗(yàn)證和仿真系統(tǒng)平臺(tái)同步研究，雙方還有相互促進(jìn)，相互補(bǔ)充的作用。（2） 理論研究與實(shí)踐檢驗(yàn)相結(jié)合本項(xiàng)目的可信性理論具有鮮明的實(shí)踐性，無論是產(chǎn)品數(shù)據(jù)模型的高精度表示模型，還是產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程的一致性表示，既具有深?yuàn)W的理論又貼近實(shí)踐。理論行不行，好不好，完全要用實(shí)踐來檢驗(yàn)，而實(shí)踐中發(fā)生的問題又推動(dòng)理論研究更加深入，更加全面。因此，本項(xiàng)目具有理論與實(shí)踐緊密結(jié)合，理論指導(dǎo)實(shí)踐，實(shí)踐提出問題與需求，促進(jìn)理論的深入與發(fā)展的特點(diǎn)。（3） 既注意獨(dú)立開發(fā)，有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，又注意學(xué)習(xí)國外先進(jìn)內(nèi)容，洋為中用，走引進(jìn)、吸收、消化、創(chuàng)新之路，切實(shí)貫徹有所為、有所不為，但一定要有所作為。（4） 在注意建立自己的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范的同時(shí)，更要認(rèn)真學(xué)習(xí)，貫徹執(zhí)行國際相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，積極參加國際相關(guān)的技術(shù)規(guī)范聯(lián)盟，如：OMG、 XML、RIG、STEP 等。4.2 技術(shù)路線整個(gè)項(xiàng)目的技術(shù)路線圍繞著本項(xiàng)目的三個(gè)科學(xué)問題展開的，具體落實(shí)到本項(xiàng)目的五個(gè)課題分解進(jìn)行:1. 針對(duì)復(fù)雜產(chǎn)品數(shù)據(jù)模型精度可控性理論和方法的研究，其中的技術(shù)路線為： ? 分析并建立多精度層次的數(shù)據(jù)模型及其映射關(guān)系，形成產(chǎn)品設(shè)計(jì)周期中誤差類型及其傳播和擴(kuò)散機(jī)制。? 針對(duì)汽車和重大制造裝備等產(chǎn)品的設(shè)計(jì)全生命周期，分析產(chǎn)品各種數(shù)據(jù)表示及其關(guān)聯(lián)關(guān)系，研究各種數(shù)據(jù)的異構(gòu)和同構(gòu)屬性，形成設(shè)計(jì)全生命周期的產(chǎn)品數(shù)據(jù)誤差統(tǒng)一表示理論和方法。? 基于國內(nèi)外行業(yè)和企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，采用優(yōu)化方法，建立統(tǒng)一產(chǎn)品數(shù)據(jù)模型的輕量化表示理論和方法，降低數(shù)據(jù)的冗余程度，提高模型數(shù)據(jù)的應(yīng)用效率。 首先將研究在單元幾何運(yùn)算中的誤差精度控制理論和方法，研究在曲線曲面求交、延伸、擬合等運(yùn)算中的誤差精度控制機(jī)理，分析其誤差產(chǎn)生機(jī)理和誤差可控類型。在此基礎(chǔ)上，研究拉伸、抽殼和拔模等高層次的幾何特征操作。本項(xiàng)目將利用區(qū)間理論及其運(yùn)算方法記錄并分析在產(chǎn)品設(shè)計(jì)周期中誤差的傳播和擴(kuò)散機(jī)制，從而進(jìn)一步挖掘誤差調(diào)控機(jī)理，進(jìn)而提高設(shè)計(jì)和分析精度，分析和總結(jié)在產(chǎn)品設(shè)計(jì)周期中所涉及到的誤差種類。明確各類誤差的含義，確定它們之間的關(guān)聯(lián)，形成相應(yīng)的誤差精度統(tǒng)一表示理論和方法。從而，采用迭代的策略，重新將其應(yīng)用于產(chǎn)品設(shè)計(jì)周期中概念設(shè)計(jì)、幾何設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和優(yōu)化設(shè)計(jì)以及迭代分析過程中，跟蹤、記錄和分析在產(chǎn)品設(shè)計(jì)周期中誤差的傳播和擴(kuò)散機(jī)制，從而進(jìn)一步修正誤差精度統(tǒng)一表示理論和方法。2. 針對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)全流程一致性理論和方法的研究，其中的技術(shù)路線為： ? 利用數(shù)據(jù)模型在設(shè)計(jì)制造全流程中的表示差異性，確保模型格式轉(zhuǎn)換的精度保持，使得迭代設(shè)計(jì)可反饋可驗(yàn)證，保證模型表示的完備性，提高設(shè)計(jì)制造效率。? 采用數(shù)據(jù)模型特征的提取方法，通過探索異構(gòu)環(huán)境下各種特征的語義表示方法，確保特征在整個(gè)設(shè)計(jì)流程的一致性表述。 ? 通過數(shù)據(jù)模型的語義特征，在模型編輯功能中實(shí)現(xiàn)特征可復(fù)用。產(chǎn)品設(shè)計(jì)與制造涉及產(chǎn)品設(shè)計(jì)、功能驗(yàn)證和制造各個(gè)環(huán)節(jié)，為此需要研究建立產(chǎn)品設(shè)計(jì)全生命周期的產(chǎn)品數(shù)據(jù)統(tǒng)一表示理論和方法，統(tǒng)一不同階段不同環(huán)節(jié)的產(chǎn)品數(shù)據(jù)，可以減少因?yàn)閿?shù)據(jù)不統(tǒng)一所造成的產(chǎn)品表達(dá)不一致性，從而為整個(gè)設(shè)計(jì)過程具有高效性、可維護(hù)性、可拓展性提供統(tǒng)一數(shù)據(jù)表示。如果簡單地將各種數(shù)據(jù)疊加在一起，一方面會(huì)造成數(shù)據(jù)的大量冗余并容易造成數(shù)據(jù)的不一致性，另一方面會(huì)造成數(shù)據(jù)非常龐大，從而實(shí)際上會(huì)增加產(chǎn)品設(shè)計(jì)的復(fù)雜程度并降低產(chǎn)品設(shè)計(jì)的規(guī)模。為此，將針對(duì)汽車和重大制造裝備等產(chǎn)品的設(shè)計(jì)全生命周期，分析產(chǎn)品幾何設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、優(yōu)化設(shè)計(jì)以及迭代過程等所需要的各種數(shù)據(jù)表示，以及這些數(shù)據(jù)之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，研究各種數(shù)據(jù)的異構(gòu)和同構(gòu)屬性，形成設(shè)計(jì)全生命周期的產(chǎn)品數(shù)據(jù)統(tǒng)一表示理論和方法。同時(shí)還研究統(tǒng)一產(chǎn)品數(shù)據(jù)模型的數(shù)據(jù)輕量化表示理論和方法，盡可能降低數(shù)據(jù)的冗余程度，提高數(shù)據(jù)的應(yīng)用效率。在統(tǒng)一產(chǎn)品數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)輕量化過程中，將建立有效的屬性繼承和傳播機(jī)制，從而盡可能讓數(shù)據(jù)在產(chǎn)品設(shè)計(jì)全生命周期中不丟失、能演化、能自動(dòng)關(guān)聯(lián)。因此，我們還將研究數(shù)據(jù)的交換和轉(zhuǎn)化理論和方法，從而進(jìn)一步減少產(chǎn)品核心數(shù)據(jù)模型的數(shù)據(jù)量，便于不同的設(shè)計(jì)過程或階段獲取與其相適應(yīng)的數(shù)據(jù)。3. 針對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)軟件系統(tǒng)的程序代碼可驗(yàn)證性理論的研究，其中的技術(shù)路線為：? 分析產(chǎn)品設(shè)計(jì)軟件算法的領(lǐng)域特征，兼顧可驗(yàn)證的需求，設(shè)計(jì)算法規(guī)范說明語言。? 基于高階邏輯和定理證明系統(tǒng)，構(gòu)建算法規(guī)約說明推理系統(tǒng)，提供算法層面上的正確性驗(yàn)證框架。? 利用模型檢測技術(shù)，采用謂詞抽象和可滿足性模理論，實(shí)現(xiàn)代碼層面的程序驗(yàn)證框架。算法關(guān)注于解決問題的方法和邏輯。為算法提供一種形式化描述語言是對(duì)其正確性進(jìn)行檢驗(yàn)的前提基礎(chǔ)。為此，需要根據(jù)現(xiàn)代設(shè)計(jì)軟件中核心算法的特點(diǎn)，研究適合于此類應(yīng)用的形式化描述語言。我們將在分析現(xiàn)有算法說明語言的基礎(chǔ)之上，基于一階邏輯和集合論，針對(duì)現(xiàn)代設(shè)計(jì)軟件常用的一些復(fù)雜數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)及其操作，設(shè)計(jì)算法規(guī)范說明語言。命令式程序的表示關(guān)鍵是對(duì)內(nèi)存模型的描述。我們將采用最弱前置條件和函數(shù)式語言解釋等方法，設(shè)計(jì)一個(gè)新的更低層次的內(nèi)存模型。該內(nèi)存模型在邏輯層次上考慮，而命令式語言的各種成分可以在該模型下進(jìn)行解釋。應(yīng)用模型檢測進(jìn)行驗(yàn)證的最大困難來自于狀態(tài)空間爆炸問題。我們將研究如何將謂詞抽象技術(shù)與反例導(dǎo)向的抽象精化技術(shù)結(jié)合。為得到精確的程序抽象模型,重點(diǎn)研究謂詞發(fā)現(xiàn)和冗余謂詞消去技術(shù)。傳統(tǒng)的模型檢測技術(shù)只能在布爾邏輯框架下應(yīng)用。為了提高模型檢測技術(shù)在程序驗(yàn)證中的能力，需要研究可滿足性模理論（Satisifiability Modulo Theory, SMT） 。我們將遞進(jìn)式的研究帶入多個(gè)公理域的邏輯公式可滿足性判定理論，重點(diǎn)研究線性不等式、數(shù)組、向量等理論域的判定算法。4. 針對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)流程可信保障機(jī)理的研究，其中的技術(shù)路線為： ? 采用基于 WBS 的流程建模方法，并內(nèi)嵌元數(shù)據(jù)規(guī)則管理器，實(shí)現(xiàn)流程約束、規(guī)則約束和資源約束。? 采用基于刻面的需求工程（AOSD）來消除需求衰減和需求歧義。? 采用著色 Petri 網(wǎng)和模型檢測等形式化工具來保障設(shè)計(jì)流程中的各種一致性驗(yàn)證。? 采用面向虛擬組織的復(fù)雜訪問控制機(jī)制來支持跨自治域的協(xié)同數(shù)據(jù)訪問控制。針對(duì)設(shè)計(jì)流程建模及資源約束機(jī)制的研究，將在模型驅(qū)動(dòng)理論的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)解決以 WBS為核心的設(shè)計(jì)過程統(tǒng)一視圖問題及設(shè)計(jì)資源元數(shù)據(jù)的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)問題。在 WBS模型的基礎(chǔ)上，引入資源元數(shù)據(jù)模型，支持動(dòng)態(tài)資源映射和評(píng)估分析；引入擴(kuò)展流程模型，支持動(dòng)態(tài)的設(shè)計(jì)過程建模及監(jiān)控；引入時(shí)序約束，保證設(shè)計(jì)過程的可信性和執(zhí)行的準(zhǔn)確性。針對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)及流程的安全保障機(jī)制，將根據(jù)設(shè)計(jì)過程中的安全需求，在通用安全基礎(chǔ)設(shè)施的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)解決設(shè)計(jì)過程的實(shí)體識(shí)別、基于信任的訪問控制機(jī)制、數(shù)據(jù)保護(hù)等問題。此外，針對(duì)現(xiàn)代協(xié)同設(shè)計(jì)的特點(diǎn)，還將解決跨自治域的復(fù)雜訪問控制、協(xié)同環(huán)境下的數(shù)據(jù)分發(fā)及協(xié)同設(shè)計(jì)過程中的隱私保護(hù)等問題，并最終為總課題的應(yīng)用提供安全保障。5. 針對(duì)產(chǎn)品功能和性能高效仿真優(yōu)化理論與方法的研究，其中的技術(shù)路線為： ? 采用光滑單元理論，提高線性插值單元的計(jì)算精度，實(shí)現(xiàn)低階單元網(wǎng)格的自適應(yīng)分割，提升數(shù)據(jù)模型的網(wǎng)格生成質(zhì)量和生成速度。? 以 Cg 和 CUDA 為手段，建立基于 GPU 集群的高效求解體系，實(shí)現(xiàn)廉價(jià)的快速仿真計(jì)算。? 探索基于 GPU、多核 CPU 以及分布式集群間任務(wù)高效劃分和實(shí)時(shí)調(diào)度方法，大幅度提高交互可視化呈現(xiàn)速度。? 對(duì)優(yōu)化領(lǐng)域中的多目標(biāo)、多目標(biāo)、多學(xué)科、多參數(shù)、不確定性這幾方面的技術(shù)瓶頸進(jìn)行研究，結(jié)合 GPU 技術(shù)，研發(fā)具有能處理實(shí)際工程問題的優(yōu)化軟件平臺(tái)。? 將仿真分析、優(yōu)化算法進(jìn)行整合，構(gòu)建一個(gè)高可信、全構(gòu)件的設(shè)計(jì)仿真優(yōu)化集成應(yīng)用平臺(tái)。本項(xiàng)目建立的復(fù)雜產(chǎn)品設(shè)計(jì)平臺(tái)是傳統(tǒng) CAE 軟件應(yīng)用的提升，簡單封閉的前處理體系，基于 GPU 的高效求解體系以及自主研發(fā)的近似模型優(yōu)化體系是該系統(tǒng)性能和實(shí)用性的保證。通過提出新型單元理論，并采用基于 GPU 的求解技術(shù)，以解決復(fù)雜產(chǎn)品功能和性能仿真優(yōu)化中的效率和可靠性兩大瓶頸問題，在此基礎(chǔ)上，形成一個(gè)具有重大創(chuàng)新和實(shí)用價(jià)值的仿真模擬和優(yōu)化設(shè)計(jì)平臺(tái)，并在我國的汽車設(shè)計(jì)制造中得到成功應(yīng)用。四、年度計(jì)劃年度 研究內(nèi)容 預(yù)期目標(biāo)第一年1. 精確浮點(diǎn)數(shù)運(yùn)算算法及新的實(shí)數(shù)表示方法研究。2. 調(diào)研并分析產(chǎn)品數(shù)據(jù)模型的表示格式類型、標(biāo)準(zhǔn)及其特征表示。3. 研究 NURBS與離散網(wǎng)格之間的模型格式轉(zhuǎn)換，保持產(chǎn)品設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)移過程的誤差要求。4. 算法規(guī)約說明語言、謂詞抽象計(jì)算方法研究5. 現(xiàn)代設(shè)計(jì)流程及設(shè)計(jì)資源配置情況調(diào)研6. 支持可信設(shè)計(jì)過程的動(dòng)態(tài) WBS的建模方法和理論、基于元數(shù)據(jù)的編碼及規(guī)則控制方法研究。7. 支持可信設(shè)計(jì)過程的安全保障體系研究。8. 研究基于線性插值單元理論的高精度仿真計(jì)算方法。9. 研究基于新型單元和 GPU 的顯式有限元程序開發(fā)、實(shí)時(shí)計(jì)算1. 給出公式化得到浮點(diǎn)數(shù)特性的方法，提出全新的基于 Sierpinski三角形坐標(biāo)表示實(shí)數(shù)的方法。2. 提交至少一種數(shù)據(jù)模型格式轉(zhuǎn)換模塊并可演示。3. 明確算法規(guī)約說明語言的語法和語義；提出適用于此類程序的謂詞計(jì)算方法。4. 形成針對(duì)汽車、軌道交通等特定行業(yè)設(shè)計(jì)流程及設(shè)計(jì)資源配置的研究報(bào)告。5. 提出支持可信設(shè)計(jì)過程的動(dòng)態(tài) WBS的建模理論、基于元數(shù)據(jù)的編碼及規(guī)則控制理論。6. 提出可信設(shè)計(jì)過程的安全保障體系理論。7. 建立精度級(jí)別達(dá)到四邊形和六面體單元的新型單元模型，開發(fā)出基于新型三角形、四面體單元和 GPU的顯式有限元程序。8. 開發(fā)出基于 GPU 的薄板成形及結(jié)構(gòu)碰撞過程的計(jì)算機(jī)仿真軟件系統(tǒng)第二年1. 新實(shí)數(shù)表示下的各種復(fù)雜的精確實(shí)數(shù)運(yùn)算算法、高精度的單元幾何運(yùn)算以及誤差控制研究。2. 研究常見的產(chǎn)品數(shù)據(jù)模型的表示格式類型及標(biāo)準(zhǔn)、特征抽取及表示。3. 算法說明語言的推理證明、向量理論域的可判定理論研究。4. 自動(dòng)定理證明工具擴(kuò)展5. 研究資源統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的管理方法6. 構(gòu)建資源標(biāo)準(zhǔn)建模體系、資源元數(shù)據(jù)建模工具集。1. 新算法在曲線曲面求交、延伸、擬合等運(yùn)算中的取得高精度結(jié)果以及可控的誤差。2. 研制的特征提取和復(fù)用的原型系統(tǒng)可演示。3. 提出算法規(guī)約說明的推理證明系統(tǒng)，并在產(chǎn)品設(shè)計(jì)軟件的算法程序中進(jìn)行實(shí)例分析。4. 在 FOPIC基礎(chǔ)之上，對(duì)向量數(shù)據(jù)類型進(jìn)行擴(kuò)展，支持對(duì)向量數(shù)據(jù)類型年度 研究內(nèi)容 預(yù)期目標(biāo)7. 研究資源統(tǒng)一標(biāo)識(shí)和多視圖理論8. 研究面向協(xié)同設(shè)計(jì)的訪問控制機(jī)制、面向協(xié)同設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)分發(fā)及隱私保護(hù)機(jī)制。9. 研究基于產(chǎn)品 CAD模型的仿真計(jì)算理論與方法、基于實(shí)時(shí)計(jì)算的并行優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)、混合近似模型技術(shù)。的自動(dòng)定理證明。5. 構(gòu)建資源元數(shù)據(jù)建模工具集。6. 實(shí)現(xiàn) CAD 和 CAE 系統(tǒng)的無縫連接和計(jì)算分析的自動(dòng)化，開發(fā)基于GPU 構(gòu)架的并行優(yōu)化程序。第三年1. 研究高精度高層次的特征幾何運(yùn)算以及誤差控制、區(qū)間運(yùn)算理論與算法。2. 研究 CAD格式 IGES和 STEP等標(biāo)準(zhǔn)格式，研究離散模型表示格式3. 研究模型的特征表示復(fù)用方法及其度量方法4. 研究基于類型論的命令式程序表示方法5. 數(shù)組理論域的可判定理論研究6. 自動(dòng)定理證明工具擴(kuò)展7. 研究基于 WBS的流程構(gòu)建方法及工具8. 研發(fā)基于透明加解密的設(shè)計(jì)文檔保護(hù)系統(tǒng)。9. 研究基于 GPU構(gòu)架的并行智能布點(diǎn)技術(shù)，研發(fā)復(fù)雜產(chǎn)品優(yōu)化設(shè)計(jì)平臺(tái)。1. 對(duì)拉伸、抽殼和拔模等高層次的幾何特征操作中取得高精度結(jié)果以及可控的誤差，找到統(tǒng)一的誤差表示模型。2. 完成至少 3種常用數(shù)據(jù)模型格式的轉(zhuǎn)換工具并可演示。3. 基于 COQ工具，提出對(duì)命令式程序的一般性表示方法。4. 在 FOPIC基礎(chǔ)之上，對(duì)數(shù)組數(shù)據(jù)類型進(jìn)行擴(kuò)展，支持對(duì)數(shù)組數(shù)據(jù)類型的自動(dòng)定理證明。5. 提出基于 WBS和工作流的動(dòng)態(tài) WBS理論，構(gòu)建基于 WBS的流程建模工具集6. 開發(fā)基于透明加解密的設(shè)計(jì)文檔保護(hù)原型系統(tǒng)。7. 針對(duì)不同優(yōu)化對(duì)象，構(gòu)建復(fù)雜產(chǎn)品優(yōu)化設(shè)計(jì)平臺(tái)。年度 研究內(nèi)容 預(yù)期目標(biāo)第四年1. 研究產(chǎn)品設(shè)計(jì)周期中誤差類型及其傳播和擴(kuò)散機(jī)制，產(chǎn)品各種數(shù)據(jù)表示及其關(guān)聯(lián)關(guān)系，各種數(shù)據(jù)的異構(gòu)和同構(gòu)屬性。2. 研究離散模型的格式與 CAD常見格式之間的轉(zhuǎn)換方法，多分辨率模型表示格式和輕量化表示格式，特征表示的語義定義方法和特征縫合方法，并研制相應(yīng)的工具集。3. 研究謂詞發(fā)現(xiàn)方法、冗余謂詞消去方法，開發(fā)程序驗(yàn)證工具。4. 研究基于動(dòng)態(tài) WBS的設(shè)計(jì)過程可視化交互模式，研發(fā)動(dòng)態(tài) WBS可視化表現(xiàn)工具5. 研發(fā)基于隱私保護(hù)的設(shè)計(jì)文件分發(fā)系統(tǒng)6. 研究基于特征分析的高質(zhì)量大規(guī)模數(shù)據(jù)可視化算法。1. 分析歸納出所有誤差類型以及其傳播擴(kuò)散機(jī)理，形成設(shè)計(jì)全生命周期的產(chǎn)品數(shù)據(jù)誤差統(tǒng)一表示理論和方法。2. 將特征復(fù)用系統(tǒng)在汽車設(shè)計(jì)等應(yīng)用中進(jìn)行應(yīng)用驗(yàn)證。3. 開發(fā)面向幾何算法程序的驗(yàn)證工具。4. 完成動(dòng)態(tài) WBS交互工具。5. 完成基于隱私保護(hù)的設(shè)計(jì)文件分發(fā)系統(tǒng)。6. 實(shí)現(xiàn)基于特征分析的高質(zhì)量大規(guī)模數(shù)據(jù)可視化算法，以及面向多核、分布式集群、GPU、GPU 集群以及網(wǎng)格環(huán)境的大規(guī)模仿真數(shù)據(jù)并行可視化算法。第五年1. 研究產(chǎn)品數(shù)據(jù)模型的輕量化表示理論和方法、數(shù)據(jù)壓縮理論和策略。2. 研制模型格式轉(zhuǎn)換工具集、模型特征的提取分割和復(fù)用工具集。3. 整合面向設(shè)計(jì)過程的建模工具集，進(jìn)行系統(tǒng)測試4. 研發(fā)設(shè)計(jì)過程安全保障工具集，進(jìn)行系統(tǒng)測試5. 大型可信軟件平臺(tái)的集成測試及其示范應(yīng)用。1. 建立統(tǒng)一產(chǎn)品數(shù)據(jù)模型的輕量化表示理論和方法，形成有損和無損的多種有效的數(shù)據(jù)壓縮方案。2. 構(gòu)建幾何算法程序建模與驗(yàn)證集成平臺(tái)原型系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)平臺(tái)工具集。3. 完成面向設(shè)計(jì)過程的安全保障工具集4. 形成一個(gè)具有原始創(chuàng)新和實(shí)用價(jià)值的仿真模擬和優(yōu)化設(shè)計(jì)平臺(tái)，在汽車行業(yè)典型產(chǎn)品設(shè)計(jì)中應(yīng)用。1